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  • 磁场

    磁场所属现代词,指的是对放入其中的小磁针有磁力的作用的物质。磁场是一种看不见,而又摸不着的特殊物质,磁场不是由原子或分子组成的,但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁铁周围存在磁场,磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流,电流是电荷的运动,因而概括地说,磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。

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    基本信息 编辑信息模块

    中文名称: 磁场 外文名: magnetic

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    汉语解释/磁场 编辑

    基本信息

    拼音:cí chǎng
    注音:ㄘㄧˊ ㄔㄤˇ

    解释

    受到磁性影响的区域显示出穿越该区域的电荷或置于该区域中的磁极会受到机械力的作用。

    定义

    磁场磁场
    对放入其中的小磁针有磁力的作用的物质叫做磁场。磁场是一种看不见,而又摸不着的特殊物质。磁体周围存在磁场,磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流,电流是电荷的运动,因而概括地说,磁场是由运动电荷或变化电场产生的。

    引用解释


    1. 传递实物间磁力作用的场。
    2. 借指有巨大吸引力的场所。《花城》1981年第6期:“离开祖国已有两个半月,那边有我的依恋,我怎么能留下呢?但这里却出现了一个磁场。”


    基本概述/磁场 编辑

    英文:magnetic field
    简易定义:对放入其中的磁体有磁力的作用的物质叫做磁场。
    磁场磁场
    磁场的基本特征是能对其中的运动电荷施加作用力,磁场对电流、对磁体的作用力或力矩皆源于此。而现代理论则说明,磁力是电场力的相对论效应。

    与电场相仿,磁场是在一定空间区域内连续分布的矢量场,描述磁场的基本物理量是磁感应强度矢量B,也可以用磁感线形象地图示。然而,作为一个矢量场,磁场的性质与电场颇为不同。运动电荷或变化电场产生的磁场,或两者之和的总磁场,都是无源有旋的矢量场,磁力线是闭合的曲线族,不中断,不交叉。换言之,在磁场中不存在发出磁力线的源头,也不存在会聚磁力线的尾闾,磁力线闭合表明沿磁力线的环路积分不为零,即磁场是有旋场而不是势场(保守场),不存在类似于电势那样的标量函数。

    磁感应强度:与磁力线方向垂直的单位面积上所通过的磁力线数目,又叫磁力线的密度,也叫磁通密度,用B表示,单位为特(斯拉)T。

    磁场磁场

    磁通:磁通是通过某一截面积的磁力线总数,用Φ表示,单位为韦(伯)Wb。通过一线圈的磁通的表达式为:Φ=B*S(其中B为磁感应强度,S为该线圈的面积。)

    磁场方向:规定小磁针的北极在磁场中某点所受磁场力的方向为该电磁场的方向。

    磁感线:在磁场中画一些曲线,使曲线上任何一点的切线方向都跟这一点的磁场方向相同,这些曲线叫磁力线。磁力线是闭合曲线。规定小磁针的北极所指的方向为磁力线的方向。磁铁周围的磁力线都是从N极出来进入S极,在磁体内部磁力线从S极到N极。

    电磁场是电磁作用的媒递物,是统一的整体,电场和磁场是它紧密联系、相互依存的两个侧面,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,变化的电磁场以波动形式在空间传播。电磁波以有限的速度传播,具有可交换的能量和动量,电磁波与实物的相互作用,电磁波与粒子的相互转化等等,都证明电磁场是客观存在的物质,它的“特殊”只在于没有静质量。

    磁现象是最早被人类认识的物理现象之一,指南针是中国古代一大发明。磁场是广泛存在的,地球,恒星(如太阳),星系(如银河系),行星、卫星,以及星际空间和星系际空间,都存在着磁场。为了认识和解释其中的许多物理现象和过程,必须考虑磁场这一重要因素。在现代科学技术和人类生活中,处处可遇到磁场,发电机、电动机、变压器、电报、电话、收音机以至加速器、热核聚变装置、电磁测量仪表等无不与磁现象有关。甚至在人体内,伴随着生命活动,一些组织和器官内也会产生微弱的磁场。地球的磁级与地理的两极相反。

    历史/磁场 编辑

    最早出现的几副磁场绘图之一,绘者为勒内·笛卡儿,1644年。最早出现的几副磁场绘图之一,绘者为勒内·笛卡儿,1644年。
    虽然很早以前,人类就已知道磁石和其奥妙的磁性,最早出现的几个学术性论述之一,是由法国学者皮埃·德马立克(Pierre de Maricourt)于公元1269 年写成[notes 3]。德马立克仔细标明了铁针在块型磁石附近各个位置的定向,从这些记号,又描绘出很多条磁场线。他发现这些磁场线相会于磁石的相反两端位置,就好像地球的经线相会于南极与北极。因此,他称这两位置为磁极[2]。几乎三个世纪后,威廉·吉尔伯特主张地球本身就是一个大磁石,其两个磁极分别位于南极与北极。出版于1600 年,吉尔伯特的巨著《论磁石》(De Magnete)开创磁学为一门正统科学学术领域。

    于1824年,西莫恩·泊松发展出一种物理模型,比较能够描述磁场。泊松认为磁性是由磁荷产生的,同类磁荷相排斥,异类磁荷相吸引。他的模型完全类比现代静电模型;磁荷产生磁场,就如同电荷产生电场一般。这理论甚至能够正确地预测储存于磁场的能量。

    尽管泊松模型有其成功之处,这模型也有两点严峻瑕疵。第一,磁荷并不存在。将磁铁切为两半,并不会造成两个分离的磁极,所得到的两个分离的磁铁,每一个都有自己的指南极和指北极。第二,这模型不能解释电场与磁场之间的奇异关系。

    于1820年,一系列的革命性发现,促使开启了现代磁学理论。首先,丹麦物理学家汉斯·奥斯特于7月发现载流导线的电流会施加作用力于磁针,使磁针偏转指向。稍后,于9月,在这新闻抵达法国科学院仅仅一周之后,安德烈-玛丽·安培成功地做实验展示出,假若所载电流的流向相同,则两条平行的载流导线会互相吸引;否则,假若流向相反,则会互相排斥。紧接着,法国物理学家让-巴蒂斯特·毕奥和菲利克斯·沙伐于10月共同发表了毕奥-萨伐尔定律;这定律能够正确地计算出在载流导线四周的磁场。

    1825年,安培又发表了安培定律。这定律也能够描述载流导线产生的磁场。更重要的,这定律帮助建立整个电磁理论的基础。于1831年,麦可·法拉第证实,随着时间演进而变化的磁场会生成电场。这实验结果展示出电与磁之间更密切的关系。

    从1861年到1865之间,詹姆斯·麦克斯韦将经典电学和磁学杂乱无章的方程加以整合,发展成功麦克斯韦方程组。最先发表于他的1861年论文《论物理力线》,这方程组能够解释经典电学和磁学的各种现象。在论文里,他提出了“分子涡流模型”,并成功地将安培定律加以延伸,增加入了一个有关于位移电流的项目,称为“麦克斯韦修正项目”。由于分子涡包具有弹性,这模型可以描述电磁波的物理行为。因此,麦克斯韦推导出电磁波方程。他又计算出电磁波的传播速度,发现这数值与光速非常接近。警觉的麦克斯韦立刻断定光波就是一种电磁波。后来,于1887年,海因里希·赫兹做实验证明了这事实。麦克斯韦统一了电学、磁学、光学理论。

    虽然,有了极具功能的麦克斯韦方程组,经典电动力学基本上已经完备,在理论方面,二十世纪带来了更多的改良与延伸。阿尔伯特·爱因斯坦,于1905年,在他的论文里表明,电场和磁场是处于不同参考系的观察者所观察到的同样现象(帮助爱因斯坦发展出狭义相对论的思想实验,关于其详尽细节,请参阅移动中的磁铁与导体问题)。后来,电动力学又与量子力学合并为量子电动力学

    类型/磁场 编辑

    1、恒定磁场 磁场强度和方向保持不变的磁场称为恒定磁场或恒磁场,如铁磁片和通以直流电的电磁铁所产生的磁场。

    2、交变磁场 磁场强度和方向在规律变化的磁场,如工频磁疗机和异极旋转磁疗器产生的磁场。

    3、脉动磁场 磁场强度有规律变化而磁场方向不发生变化的磁场,如同极旋转磁疗器、通过脉动直流电磁铁产生的磁场。

    4、脉冲磁场 用间歇振荡器产生间歇脉冲电流,将这种电流通入电磁铁的线圈即可产生各种形状的脉冲磁场。脉冲磁场的特点是间歇式出现磁场,磁场的变化频率、波形和峰值可根据需要进行调节。

    恒磁场又称为静磁场,而交变磁场,脉动磁场和脉冲磁场属于动磁场。磁场的空间各处的磁场强度相等或大致相等的称为均匀磁场,否则就称为非均匀磁场。离开磁极表面越远,磁场越弱,磁场强度呈梯度变化。

    电磁场/磁场 编辑

    电磁场electromagneticfield

    有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称。随时间变化的电场产生磁场,随时间变化的磁场产生电场,两者互为因果,形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起,也可由强弱变化的电流引起,不论原因如何,电磁场总是以光速向四周传播,形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物,具有能量和动量,是物质存在的一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。

    地磁场/磁场 编辑

    磁场磁场
    地磁场geomagneticfield

    从地心至磁层顶的空间范围内的磁场。地磁学的主要研究对象。人类对于地磁场存在的早期认识,来源于天然磁石和磁针的指极性。磁针的指极性是由于地球的北磁极(磁性为S极)吸引着磁针的N极,地球的南磁极(磁性为N极)吸引着磁针的S极。这个解释最初是英国W.吉伯于1600年提出的。吉伯所作出的地磁场来源于地球本体的假定是正确的。这已为1839年德国数学家C.F.高斯首次运用球谐函数分析法所证实。

    地磁的磁感线和地理的经线是不平行的,它们之间的夹角叫做磁偏角。中国古代的著名科学家沈括是第一个注意到磁偏角现象的科学家。

    地磁场是一个向量场。描述空间某一点地磁场的强度和方向,需要3个独立的地磁要素。常用的地磁要素有7个,即地磁场总强度F,水平强度H,垂直强度Z,X和Y分别为H的北向和东向分量,D和I分别为磁偏角和磁倾角。其中以磁偏角的观测历史为最早。在现代的地磁场观测中,地磁台一般只记录H,D,Z或X,Y,Z。

    近地空间的地磁场,像一个均匀磁化球体的磁场,其强度在地面两极附近还不到1高斯,所以地磁场是非常弱的磁场。地磁场强度的单位过去通常采用伽马(γ),即10高斯。1960年决定采用特斯拉作为国际测磁单位,1高斯=10^(-4)特斯拉(T),1伽马=10^(-9)特斯拉=1纳特斯拉(nT),简称纳特。地磁场虽然很弱,但却延伸到很远的空间,保护着地球上的生物和人类,使之免受宇宙辐射的侵害。

    地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分,它们在成因上完全不同。基本磁场是地磁场的主要部分,起源于地球内部,比较稳定,变化非常缓慢。变化磁场包括地磁场的各种短期变化,主要起源于地球外部,并且很微弱。地球的基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常几个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分,其强度约占地磁场总强度的90%,产生于地球液态外核内的电磁流体力学过程,即自激发电机效应。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个地域,平均强度约占地磁场的10%。地磁异常又分为区域异常和局部异常,与岩石和矿体的分布有关。

    地球变化磁场可分为平静变化和干扰变化两大类型。平静变化主要是以一个太阳日为周期的太阳静日变化,其场源分布在电离层中。干扰变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等,场源是太阳粒子辐射同地磁场相互作用在磁层和电离层中产生的各种短暂的电流体系。磁暴是全球同时发生的强烈磁扰,持续时间约为1~3天,幅度可达10纳特。其他几种干扰变化主要分布在地球的极光区内。除外源场外,变化磁场还有内源场。内源场是由外源场在地球内部感应出来的电流所产生的。将高斯球谐分析用于变化磁场,可将这种内、外场区分开。根据变化磁场的内、外场相互关系,可以得出地球内部电导率的分布。这已成为地磁学的一个重要领域,叫做地球电磁感应。

    地球变化磁场既和磁层、电离层的电磁过程相联系,又和地壳上地幔的电性结构有关,所以在空间物理学和固体地球物理学的研究中都具有重要意义。

    模拟地球磁场/磁场 编辑

    磁场磁场
    电脑模拟系统破解地球磁场南北颠倒之谜

    美国国家地理杂志》发表文章解释了地球磁场“南北颠倒”的原因。1845年德国数学家卡尔·高斯开始记录地球磁场数据,与那时相比,今天的磁场强度减弱了近10%左右。而且这种势头还将继续。

    电脑模拟系统“助阵”科学家说,这种现象并不罕见。在过去的数十亿年中,地球磁场曾多次发生翻转,这可以在地球岩石中找到大量证据。而他们在最近几十年中发展的电脑模拟系统,可以很好地演示这个翻转过程。美国加州大学的地球科学和磁场专家加里·格拉兹迈尔说:“我们可以在岩石上看到翻转的情形,可是岩石不会告诉我们为什么。电脑模拟系统能说明这一切。”这一系统就是格拉兹迈尔和他的同事保尔·罗伯兹共同研发的。从地质记录来看,地球磁场平均大约每20万年翻转一次,不过时间也可能相差很大,并不固定,上一次磁场翻转是在78万年前。

    专家认为,地球磁场来自地球深处的地心部分。固体的地心四周是处在熔解状的铁和镍液体。地心在金属液中的运动,产生了电流,形成了地球磁场。而该磁场屏蔽了宇宙射线,主要是太阳风暴对地球的袭击,保护了地球生命的延续。科学家发现,火山岩浆凝固时,其中的铁总是按磁场方向排列。专家把这一现象称为地球动力学,地

    磁场磁场
    球磁场是由地球动力支配的,他们根据这一理论发展的电脑模拟系统发现,地心周围的液体物质,总是处在不稳定状态,以非常缓慢的速度转动,一般大约每年移动一度。然而在受到某种干扰时,这个速度会变得越来越快,使原有的磁场偏离极地越来越远,最后发生南北极互换的现象。

    美国约翰·霍普金斯大学的地球物理学家皮特·奥森正在严密关注地球磁场的变化。他说,随着时间的推移,我们能够追踪到它的轨迹。就像飓风预报一样,我们会知道翻转现象什么时候发生。加里·格拉兹迈尔安慰大家说:“这个现象曾发生过多次了,生命不会因此灭绝的。”新闻背景磁场颠倒将危及生物磁场颠倒将危及到生物。首先,许多依靠鉴别地球南北极而迁徙的动物将会“乱了方寸”。

    几万年来,蜜蜂鸽子鲸鱼鲑鱼红龟、津巴布韦鼹鼠等动物一直依赖先天性的本能在磁场的指引下秋移春返,一旦磁场消失,它们的命运很难预测。而对于人类来说,最致命的打击莫过于直接暴露在强烈的紫外线辐射之下。届时,皮肤癌等各种灾难都将降临。[1]



    宇宙中大磁场/磁场 编辑


    太阳磁场
    太阳磁场太阳磁场


     
    太阳普遍磁场指日面宁静区的微弱磁场,强度约1×10-4~3×10-4特斯拉,它在太阳南北两极区极性相反,观测发现,通过光球的大多数磁通量管被集中在太阳表面称作磁元的区域,其半径为100~300千米,场强为0.1~0.2特斯拉,大多数磁元出现在米粒和超米粒边界及活动区内。如果把太阳当做一颗恒星,可测到它的整体磁场约3×10-5特斯拉,这个磁场是东西方向的。

    太阳活动区磁场

    太阳黑子太阳黑子
    太阳黑子磁场
    一般说来,一个黑子群中有两个主要黑子,它们的磁极性相反。如果前导黑子是N极的,则后随黑子就是S极的。在同一半球(例如北半球),各黑子群的磁极性分布状况是相同的;而在另一半球(南半球)情况则与此相反。在一个太阳活动周期(约11年)结束、另一个周期开始时,上述磁极性分布便全部颠倒过来。因此,每隔22年黑子磁场的极性分布经历一个循环,称为一个磁周。强磁场是太阳黑子最基本的特征。黑子的低温、物质运动和结构模型都与磁场息息相关。

    耀斑与磁场的关系
    耀斑
    太阳耀斑太阳耀斑
    是最强烈的太阳活动现象。一次大耀斑爆发可以释放1030~1033尔格的能量,这个能量可能来自磁场。
    在活动区内一个强度为几百高斯的磁场一旦湮没,它所蕴藏的磁能便全部释放出来,足够供给一次大耀斑爆发。在耀斑爆发前后,附近活动区的磁场往往有剧烈的变化。本来是结构复杂的磁场,在耀斑发生后就变得比较简单了。这就是耀斑爆发的磁场湮没理论的证据。
     
     
     
     日珥的磁场
    太阳日珥太阳日珥
    日珥的温度约为一万度,它却能长期存在于温度高达一、两百万度的日冕中,既不迅速瓦解,也不下坠到太阳表面,这主要是靠磁力线的隔热和支撑作用。宁静日珥的磁场强度约为10高斯,磁力线基本上与太阳表面平行;活动日珥的磁场强一些,可达200高斯,磁场结构较为复杂。
     
     
     

    太阳普遍磁场

    除太阳活动区外,日面宁静区也有微弱的磁场。整个说来,太阳和地球相似,也有一个普遍磁场。不过由于局部活动区磁场的干扰,太阳普遍磁场只是在两极区域比较显著,而不象地球磁场那样完整。太阳极区的磁场强度只有1~2高斯。太阳普遍磁场的强度经常变化,甚至极性会突然转换。这种情况在1957~1958年和1971~1972年曾两次观测到。
     
    太阳整体磁场
    如果把太阳当作一颗恒星,让不成像的太阳光束射进磁像仪,就可测出日冕各处混合而成的整体磁场。这种磁场的强度呈现出有规则的变化,极性由正变负,又由负变正。大致来说,在每个太阳自转周(约27天)内变化两次。对这个现象很容易作这样的解释:日面上有东西对峙的极性相反的大片磁区,随着太阳由东向西自转,科学家们就可以交替地观察到正和负的整体磁场。总之,太阳上既有普遍磁场,又有整体磁场。前者是南北相反的,后者是东西对峙的。

    太阳系磁场结构
     
    太阳磁场的精细结构
    通过高分辨率的观测表明,太阳磁场有很复杂的精细结构。就活动区来说,在同一个黑子范围内各处磁场强度往往相差悬殊;并且在一个就整体说来是某一极性(例如N极)的黑子里,常含有另一极性(S极)的小磁结点。因此,严格说来,单极黑子并不存在。在横向磁场图上,不仅各处强度不同,方位角也不一样。在黑子半影中,较亮条纹与它们之间的较暗区域的磁场也有明显的差异。在活动区中,磁结点的直径约为1,000公里,磁场强度为1,000~2,000高斯。黑子磁场的自然衰减时间是很长的。
    在日面宁静区,过去认为只有微弱的磁场,其强度约为1~10高斯。可是新的观测表明,宁静区的磁场的强度同样是很不均匀的,也含有许多磁结点。它们在日面上所占面积很小,却含有日面宁静区绝大部分的磁通量。具体说来,宁静区磁结点的范围还不到200公里,而它们含的磁通量竟占整个宁静区的90%左右。由于磁通量集中,磁结点的磁场强度可达上千高斯,远远超过宁静区大范围的平均磁场强度。
     
    行星际磁场的扇形结构
    在磁场“冻结”的情况下,太阳风的粒子带着磁力线跑,于是太阳磁场便弥漫于整个太阳系空间。因为太阳在自转,太阳风所携带的磁力线就不是直线,而是螺旋线。此外,日冕上有整体磁场,相邻磁区的极性是相反的。这些因素同时起作用,形成行星际磁场的扇形结构。它和太阳整体磁场密切相关,它们的极性几乎完全一致。太阳整体磁场的极性一旦转换,行星际磁场的极性立即跟着转换。
    随着太阳磁场向外扩张,它的强度也就越来越弱。在地球外围空间,磁场强度还不到万分之一高斯。然而由于行星际空间的气体极为稀薄,这样弱的磁场也能对物质运动产生支配作用。在太阳风的作用下,地磁场被压缩在地球磁层的范围内,不能向外延伸。
    人们对太阳磁场测量只限于太阳大气。至于太阳内部磁场,还不能直接测量,只能用理论方法作粗略的估计。有人认为它可能比大气的磁场强得多。

    磁星magnetic star

    “磁星”(Magnetar)是中子星的一种,它们均拥有极强的磁场,透过其产生的衰变,使之能源源不绝地释出高能量电磁辐射,以X射线及伽玛射线为主。磁星的理论于1992年由科学家罗伯特·邓肯(Robert Duncan)及克里斯托佛·汤普森(Christopher Thompson)首先提出,在其后几年间,这个假设得到广泛接纳,去解释软伽玛射线复发源(soft gamma repeater)及不规则X射线脉冲星(anomalous X-ray pulsar)等可观测天体。
    具有强磁场的恒星。通常光谱型为A,磁场可以强到3万T(特斯拉)。磁星的磁场强度还在变化,故又称磁变星。磁变星大多为A型特殊星。一部分磁变星,不仅磁场周期性变化,光度和光谱也变化。光变周期1~25天,变幅一般不超过0.1等。 

    形成
    当一颗大型恒星经过超新星爆发后,它会塌缩为一颗中子星,其磁场也会迅速增强。在科学家邓肯汤普森的计算结果当中,其强度约为一亿特斯拉(108 Tesla),在某些情况更可达1,000亿特斯拉(1011 T,1015 Gauss),这些极强磁场的中子星便被称为“磁星”。而地球表面的天然地磁场强度,在赤道附近约3.5×10-5 T,在两极附近约7×10-5 T。

    据估计,每大约十颗超新星爆发中,便会有一颗能成为磁星,而非一般的中子星或脉冲星。在它们演变成超新星前,自身需拥有强大磁场及高自转速度,方有机会演化成磁星。有人认为,磁星的磁场可能是在中子星诞生后首十秒左右,透过炽热内核物质的对流所产生的,情形就如一台发动机。如果在对流现象发生期间同时拥有高自转速度(周期约10毫秒左右),其产生的电流足以传遍整颗天体,便足够把其自转动能转为其磁场。相反,如果天体的自转速度较慢,其内核物质的对流所产生的电流不足以传遍整颗天体,只在局部区域流动。

    短寿命
    一颗磁星的外层含有等离子及以铁为主的重元素,在张力产生期间,天体会出现“星震”(starquake),这种地震能使天体释放强大能量,包括释出X射线暴及伽玛射线暴,天文学家把这种天体称为“软伽玛射线复发源”。
    如果把一颗磁星看成为“软伽玛射线复发源”,它们的寿命相当短暂。“星震”会释出大量物质及能量,当中物质被困在自身的强大磁场中,继而在数分钟内蒸发殆尽,另外其他能以放射形式释出的物质,其动能来自天体的角动量,使磁星的自转速度减慢,且比其他中子星减得更快。转速减慢会连带其强大磁场一同减弱,到大约一万年后磁星的“星震”停止,期间仍会释出X射线,天文学家将之称为“不规则X射线脉冲星”。再过大约一万年后,其活动几近停止。“星震”属于一种瞬间的大型破坏,当中一些给人们直接记录,例如2004年12月27日的SGR 1806-20,随着天文望远镜的精确度日高,预计在未来人们能记录更多类似现象。
    火星磁场之谜

     

    火星磁场消失之谜有新解:行星撞击是元凶 

    据国外媒体报道,火星磁场到底是如何消失的?来自加拿大多伦多大学的贾法尔·阿尔卡尼-哈梅德日前就该问题提出了一种新的观点。 阿尔卡尼-哈梅德认为,一颗曾在火星附近运行,后来又与之发生碰撞的较大小行星是导致火星磁场消失的真正原因。在40亿年之前,刚形成不久的火星也曾拥有过磁场,而且其强度还与地球磁场非常接近。不过,火星磁场在存在了短暂的时间后便神秘地消失了,

    在解释火星磁场消失的各种观点中,最主要的一种认为:随着火星核的冷却,其中液态金属的对流逐渐减弱,最终导致了磁场的消失。
    为了揭开火星磁场消失的秘密,阿尔卡尼-哈梅德与同事们设计了一套新的计算机模型。他们认为,要想解释磁场消失的原因,首先应查清它是如何出现的。
    加拿大科学家表示,当年推动火星液态核心内金属流运动的力量并非来源于火星内部,而是来自一颗被年轻的火星所俘获的大型小行星。
    根据阿尔卡尼-哈梅德等人的计算,在太阳和木星的联合作用下,这颗小行星可能曾沿一条稳定的轨道绕火星飞行,两者之间的距离约10万公里。不过,在火星引力的作用下,该小行星开始逐渐地向火星靠近。当两者的距离接近到5-7.5万公里时,小行星所产生的引力已足够打破火星核内部原有的平衡,并诱发其中金属流的运动,进而产生出磁场。小行星在火星上诱发磁场的过程持续了大约5000-15000年。
    在此之后,小行星仍在不断地向火星靠近并使后者的磁场又维持了数百万年的时间。阿尔卡尼-哈梅德认为,如果该小行星的自转方向与火星的保持一致,或者其沿相反的方向绕火星旋转,那么火星磁场还有可能维持更长的时间。
    最终,在火星引力的作用下,这颗小行星发生了分裂,有此产生的大量碎片落向火星并孕育出了一些庞大的环形山
    随着小行星的解体,火星磁场也随之消失了(确切地说,应是减弱为原先的数百分之一)--火星核内部原有的对流现象太弱,不足以孕育强大的磁场。
    而磁场的消失可能还在火星气候变化的过程中发挥了极其重要的作用。据科学家们估价,在磁场消失后,火星的气候逐渐由原先的温暖湿润变得寒冷干旱。


    火星磁场消失之谜有新解:火星内核被熔化

    瑞士科学家们通过实验室模拟实验得出结论称,数亿年前就消失了的火星磁场不久后将再次恢复。据《新科学家》杂志报道称,科学家们研究发现,火星的部分内核被熔化是导致火星磁场消失的主要祸首。
    瑞士联邦工学院(位于苏黎世)的安德鲁-斯图阿尔特为首的瑞士科研小组通过模拟实验成功再现了火星内核部分地区的压力和温度。在此次模拟实验中,科学家们利用填充了铁、镍和硫混合物的金刚石密封舱,它的压力被调节到了40兆帕斯卡。通过实验,研究人员成功发现,在火星内核温度达到1500开氏度时,密封舱内的混合物应该处于液态状。不过内核外层会出现固化现象。当然,只有在火星内核中硫的含量不超过10.6%时才会出现上述现象。科学家们称,这可以解释火星的磁场为何消失了,同时也可以解释地球的磁场为何至今仍然存在。科学家们认为,地球磁场之所以至今依然存在,就是因为地核内部是固态的。固态地核内层与被熔化了含大量铁的外层相互摩擦便产生了地球磁场,其工作原理类似于直流发电机
    科学家们表示,如果火星内核被熔化了的部分能够重新结晶变成固态形式,那么消失已久的火星磁场还将再次出现。

    相关资料/磁场 编辑

    地球磁极变换不会造成灾难

    大家都知道地球磁极要随着时间流逝而变换,南极变北极,北极变南极。而且两次变换之间的时间间隔不等,平均为25万年。

    科学家发现,此前的一次变换发生在75万年前,因此他们预料,不久还会发生新的两极变换。这样就产生了一个问题:地球磁极变换会不会使地球磁场短时间消失,从而失去了防止宇宙带电粒子到达地球的能力,引起一些科幻电影所描述的严重自然灾害呢?

    德国慕尼黑大学赫拉德·勒施等人的研究发现,不会发生这样的灾难,而其中的拯救英雄就是太阳风。 赫拉德·勒施等人发现,由带电粒子组成的太阳风,将在瞬间建立起一个新磁场。

    另外,由于太阳风和地球等离子层运动速度相差很大,太阳风将很快在距离地面350公里的高度建立起一个磁保护伞,这个磁保护伞的磁场强度大致与地磁磁场强度一样。它们可以将宇宙中的带电粒子挡在地球大气层外,地球上的生物依然可以高枕无忧。

    自然界磁辐射对大脑梦幻的影响

    在自然界中,存在着地磁和大量的宇宙空间物质射线以及太阳磁暴辐射波,这些磁波会对人类的大脑和脏器形成刺激性影响。这些磁波辐射对生物成长有一种促进作用,同时,人体与磁场也存在一定的内在关联性。宇宙本身就是一个强大的磁场空间,没有宇宙强大的磁场作用力,也就没有自然界生物细胞的合成,地球上面的生物也就不会存在。人类的梦中幻觉,大部分是由于空间磁辐射所引起的,强大的磁波辐射也可以给人类造成重大的伤害,也可以引起空间的人体核磁共振效应。自然界的诸多奇异现象都存在强磁场的力作用,可造成信鸽对地理位置辨别的失效,可造成人类方向性的判别错误,也可造成人类大脑的噩梦幻觉联想。

    磁场公式/磁场 编辑

    1.磁感应强度是用来表示磁场的强弱和方向的物理量,是矢量,单位T),1T=1N/Am

    2.安培力F=BIL;(注:L⊥B){B:磁感应强度(T),F:安培力(F),I:电流强度(A),L:导线长度(m)}

    3.洛仑兹力f=qVB(注V⊥B);质谱仪〔见第二册P155〕{f:洛仑兹力(N),q:带电粒子电量(C),V:带电粒子速度(m/s)}

    4.在重力忽略不计(不考虑重力)的情况下,带电粒子进入磁场的运动情况(掌握两种):

    (1)带电粒子沿平行磁场方向进入磁场:不受洛仑兹力的作用,做匀速直线运动V=V0

    (2)带电粒子沿垂直磁场方向进入磁场:做匀速圆周运动,规律如下a)F向=f洛=mV2/r=mω2r=mr(2π/T)2=qVB;r=mV/qB;T=2πm/qB;(b)运动周期与圆周运动的半径和线速度无关,洛仑兹力对带电粒子不做功(任何情况下);(c)解题关键:画轨迹、找圆心、定半径、圆心角(=二倍弦切角)。

    注:

    (1)安培力和洛仑兹力的方向均可由左手定则判定,只是洛仑兹力要注意带电粒子的正负;

    (2)磁感线的特点及其常见磁场的磁感线分布要掌握〔见图及第二册P144〕;(3)其它相关内容:地磁场/磁电式电表原理〔见第二册P150〕/回旋加速器〔见第二册P156〕/磁性材料

    知识点/磁场 编辑

    一、磁场

    磁极和磁极之间的相互作用是通过磁场发生的。

    电流在周围空间产生磁场,小磁针在该磁场中受到力的作用。磁极和电流之间的相互作用也是通过磁场发生的。

    电流和电流之间的相互作用也是通过磁场产生的,磁场是存在于磁体、电流和运动电荷周围空间的一种特殊形态的物质,磁极或电流在自己的周围空间产生磁场,而磁场的基本性质就是对放入其中的磁极或电流有力的作用。

    二、磁现象的电本质

    1.罗兰实验

    正电荷随绝缘橡胶圆盘高速旋转,发现小磁针发生偏转,说明运动的电荷产生了磁场,小磁针受到磁场力的作用而发生偏转。

    2.安培分子电流假说

    法国学者安培提出,在原子、分子等物质微粒内部,存在一种环形电流-分子电流,分子电流使每个物质微粒都成为微小的磁体,它的两侧相当于两个磁极。安培是最早揭示磁现象的电本质的。一根未被磁化的铁棒,各分子电流的取向是杂乱无章的,它们的磁场互相抵消,对外不显磁性;当铁棒被磁化后各分子电流的取向大致相同,两端对外显示较强的磁性,形成磁极;注意,当磁体受到高温或猛烈敲击会失去磁性。

    3.磁现象的电本质

    运动的电荷(电流)产生磁场,磁场对运动电荷(电流)有磁场力的作用,所有的磁现象都可以归结为运动电荷(电流)通过磁场而发生相互作用。

    三、磁场的方向

    规定:在磁场中任意一点小磁针北极受力的方向亦即小磁针静止时北极所指的方向就是那一点的磁场方向。

    四、磁感线

    1.磁感线的概念:在磁场中画出一系列有方向的曲线,在这些曲线上,每一点切线方向都跟该点磁场方向一致。

    2.磁感线的特点

    (1)在磁体外部磁感线由N极到S极,在磁体内部磁感线由S极到N极

    (2)磁感线是闭合曲线

    (3)磁感线不相交

    (4)磁感线的疏密程度反映磁场的强弱,磁感线越密的地方磁场越强

    3.几种典型磁场的磁感线

    (1)条形磁铁

    (2)通电直导线

    a.安培定则:用右手握住导线,让伸直的大拇指所指的方向跟电流方向一致,弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向;

    b.其磁感线是内密外疏的同心圆

    (3)环形电流磁场

    a.安培定则:让右手弯曲的四指和环形电流的方向一致,伸直的大拇指的方向就是环形导线中心轴线的磁感线方向。

    b.所有磁感线都通过内部,内密外疏

    (4)通电螺线管

    a.安培定则: 让右手弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致,伸直的大拇指的方向就是螺线管内部磁场的磁感线方向;

    b. 通电螺线管的磁场相当于条形磁铁的磁场

    五、磁感应强度

    1.定义:在磁场中垂直于磁场方向的通电直导线,所受的磁场力跟电流I和导线长度l的乘积Il的比值叫做通电导线处的磁感应强度。

    2.定义式:

    3.单位:特斯拉(T), 1T=1N/A.m

    4.磁感应强度是矢量,其方向就是对应处磁场方向。

    5.物理意义: 磁感应强度是反映磁场本身力学性质的物理量,与检验通电直导线的电流强度的大小、导线的长短等因素无关。

    6.磁感应强度的大小可用磁感线的疏密程度来表示,规定:在垂直于磁场方向的1m2面积上的磁感线条数跟那里的磁感应强度一致。

    7.匀强磁场

    (1)磁感应强度的大小和方向处处相等的磁场叫匀强磁场

    (2)匀强磁场的磁感线是均匀且平行的一组直线。

    六、磁通量

    1.定义:磁感应强度B与面积S的乘积,叫做穿过这个面的磁通量。

    2.定义式:φ=BS(B与S垂直) φ=BScosθ(θ为B与S之间的夹角)

    3.单位:韦伯(Wb)

    4.物理意义:表示穿过磁场中某个面的磁感线条数。

    5.B=φ/S,所以磁感应强度也叫磁通密度

    七、安培力

    1.磁场对电流的作用力叫安培力

    2.安培力大小

    安培力的大小等于电流I、导线长度L、磁感应强度B以及I和B间的夹角的正弦sinθ的乘积,即F=BIlsinθ。

    注意:公式只适用于匀强磁场。

    3.安培力的方向

    安培力的方向可利用左手定则判断。

    左手定则:伸开左手,使大拇指跟其余四指垂直,并且都跟手掌在一个平面内,把手放入磁场中,让磁感线垂直穿过手心,并使伸开的四指指向电流方向,那么拇指方向就是通电导线在磁场中的受力方向。安培力方向一定垂直于B、I所确定的平面,即F一定和B、I垂直,但B、I不一定垂直。

    知识要点/磁场 编辑

    1、带电体在复合场中运动的基本分析:

    这里所讲的复合场指电场、磁场和重力场并存, 或其中某两场并存, 或分区域存在, 带电体连续运动时, 一般须同时考虑电场力、洛仑兹力和重力的作用。

    在不计粒子所受的重力的情况下,带电粒子只受电场和洛仑兹力的作用,粒子所受的合外力就是这两种力的合力,其运动加速度遵从牛顿第二定律。在相互垂直的匀强电场与匀强磁场构成的复合场中,如果粒子所受的电场力与洛仑兹力平衡,粒子将做匀速直线运动;如果所受的电场力与洛仑兹力不平衡,粒子将做一般曲线运动,而不可能做匀速圆周运动,也不可能做与抛体运动类似的运动。在相互垂直的点电荷产生的平面电场与匀强磁场垂直的复合场中,带电粒子有可能绕场电荷做匀速圆周运动。无论带电粒子在复合场中如何运动,由于只有电场力对带电粒子做功,带电粒子的电势能与动能的总和是守恒的,用公式表示为

    2、质量较大的带电微粒在复合场中的运动

    这里我们只研究垂直射入磁场的带电微粒在垂直磁场的平面内的运动,并分几种情况进行讨论。

    (1)只受重力和洛仑兹力:此种情况下,要使微粒在垂直磁场的平面内运动,磁场方向必须是水平的。微粒所受的合外力就是重力与洛仑兹力的合力。在此合力作用下,微粒不可能再做匀速圆周运动,也不可能做与抛体运动类似的运动。在合外力不等于零的情况下微粒将做一般曲线运动,其运动加速度遵从牛顿第二定律;在合外力等于零的情况下,微粒将做匀速直线运动。

    无论微粒在垂直匀强磁场的平面内如何运动,由于洛仑兹力不做功,只有重力做功,因此微粒的机械能守恒,即

    (2)微粒受有重力、电场力和洛仑兹力:此种情况下。要使微粒在垂直磁场的平面内运动,匀强磁场若沿水平方向,则所加的匀强电场必须与磁场方向垂直。

    在上述复合场中,带电微粒受重力、电场力和洛仑兹力。这三种力的矢量和即是微粒所受的合外力,其运动加速度遵从牛顿第二定律。如果微粒所受的重力与电场力相抵消,微粒相当于只受洛仑兹力,微粒将以洛仑兹力为向心力,以射入时的速率做匀速圆周运动。若重力与电场力不相抵,微粒不可能再做匀速圆周运动,也不可能做与抛体运动类似的运动,而只能做一般曲线运动。如果微粒所受的合外力为零,即所受的三种力平衡,微粒将做匀速直线运动。

    无论微粒在复合场中如何运动,洛仑兹力对微粒不做功。若只有重力对微粒做功,则微粒的机械能守恒;若只有电场力对微粒做功,则微粒的电势能和动能的总和守恒;若重力和电场力都对微粒做功,则微粒的电势能与机械能的总和守恒,用公式表示为:

    在上述复合场中,除重力外,如果微粒还受垂直磁场方向的其他机械力,微粒仍能沿着与磁场垂直的平面运动。在这种情况下,应用动能定理及能的转化和守恒定律来研究微粒的运动具有普遍的意义。只有当带电微粒在垂直磁场的平面内做匀变速直线运动时,才能应用牛顿第二定律和运动学公式来研究微粒的运动,这是一种极特殊的情况。为了防止研究的失误,我们特别提请注意的是:

    (1)牛顿第二定律所阐明的合力产生加速度的观点仍是我们计算微粒加速度的依据。这里所说的合力是微粒所受的机械力、电场力和洛仑兹力的矢量和。尤其注意计算合力时不要排除洛仑兹力。

    (2)由于洛仑兹力永不做功,在应用动能定理时,合外力对微粒所做的功(或外力对微粒做的总功),只包括机械力的功和电场力的功。

    (3)在应用能的转换和守恒定律时,分析参与转化的能量形式时,不仅要考虑机械能和内能,还要考虑电势能。此种情况下,弄清能量的转化过程是正确运用能的转化和守恒定律的关键。

    3、解决与力学知识相联系的带电体综合问题的基本思路:

    正确的受力分析是前提: 除重力、弹力外, 要特别注意对电场力和磁场力的分析。正确分析物体的运动状态是解决问题的关键: 找出物体的速度、位置及其变化的特点, 分析运动过程, 如果出现临界状态, 要分析临界状态。恰当地灵活地运用动力学的三个基本方法解决问题是目的: 牛顿运动定律是物体受力与运动状态的瞬时对应关系, 而运动学公式只适用于匀变速直线运动; 用动量的观点分析, 包括动量定理与动量守恒定律; 用能量的观点分析, 包括动能定理与能量守恒定律; 针对不同问题灵活地选用三大方法, 注意弄清各种规律的成立条件和适用范围。

    4、带电粒子垂直射入E和B正交的叠加场--速度选择器原理(如图)

    粒子受力特点--电场力F与洛仑兹力f方向相反

    粒子匀速通过速度选择器的条件--带电粒子从小孔S1水平射入, 匀速通过叠加场, 并从小孔S2水平射出, 从不同角度看有三种等效条件: 从力的角度--电场力与洛仑兹力平衡, 即qE = Bqv0; 从速度角度--v0的大小等于E与B的比值, 即; 从功的角度--电场力对粒子不做功, 即;

    使粒子匀速通过选择器的两种途径:

    当v0一定时--调节E和B的大小; 当E和B一定时--调节加速电压U的大小; 根据匀速运动的条件和功能关系, 有, 所以, 加速电压应为。

    如何保证F和f的方向始终相反--将v0、E、B三者中任意两个量的方向同时改变, 但不能同时改变三个或者其中任意一个的方向, 否则将破坏速度选择器的功能。

    两个重要的功能关系--当粒子进入速度选择器时速度, 粒子将因侧移而不能通过选择器。

    5、质谱仪

    质谱仪主要用于分析同位素, 测定其质量, 荷质比和含量比, 如图所示为一种常用的质谱仪, 由离子源O、加速电场U、速度选择器E、B1和偏转磁场B2组成。

    同位素荷质比和质量的测定: 粒子通过加速电场, 根据功能关系, 有。粒子通过速度选择器, 根据匀速运动的条件: 。若测出粒子在偏转磁场的轨道直径为d, 则, 所以同位素的荷质比和质量分别为。

    6、磁流体发电机

    工作原理: 磁流体发电机由燃烧室O、发电通道E和偏转磁场B组成, 如图所示。

    在2500开以上的高温下, 燃料与氧化剂在燃烧室混合、燃烧后, 电离为导电的正负离子, 即等离子体, 并以每秒几百米的高速喷入磁场, 在洛仑兹力作用下, 正、负离子分别向上、下极板偏转, 两极板因聚积正、负电荷而产生静电场, 这时, 等离子体同时受到方向相反的洛仑兹力f与电场力F的作用。

    当f > F时, 离子继续偏转, 两极电势差随之增大; 当f = F时, 离子匀速穿过磁场, 两极电势差达到最大值, 即为电源电动势。

    电动势的计算: 设两极板间距为d, 根据两极电势差达到最大值的条件f = F, 即, 则磁流体发电机的电动势。

    相关传说/磁场 编辑

    大家都听说过鬼屋、鬼域吗?在这些地区,人们会做一连串的噩梦,梦中的幻觉恐怖、惊慌、错觉等等因素都与死亡相纠缠。宇宙空间的强射线粒子波,可形成人体或者物体分子键的断裂、无形的衣物裂口、人体皮肤的浅表性伤痕、无明火自燃等等。如果人在强磁场区域进入睡眠状态,可产生较恶劣的梦幻联想状态。人类在夜间所做的噩梦,也有白天的联想作用因素。假如你在白天进入到了极其恐怖的区域(其实世界上也不存在什么恐怖的场所,是人类的思维意识在作怪,只不过是心理作用罢了),一旦到了夜晚的睡眠期,你的脑部活跃神经系统就会把你带入梦幻的联想中,并且再现恐怖的时空景象,从而形成人类对梦境的过度相信。

    有一位年轻人和他的一位同伴,一起进入深山打猎,先前并不知道这一区域存在较强的地磁(其实说是地磁不如说是强大的磁铁矿)。夜幕降临,两位猎人逐渐进入梦乡。其中一人翻来覆去怎么也睡不着,回忆起一天的所见所闻,不知不觉也逐渐进入到了睡梦中。睡梦中的他单独进入到一处巨大的建筑群落中,破烂不堪,残墙断壁,到处呈现出一片凄凉恐怖的景色。不时传来一声声狼嗥鬼叫,静得可怕,感觉有一个无形的身影跟着自己,心里怦怦地一直跳个不停。难道世间传说的鬼蜮就在眼前吗?心里好怕呀!想着想着,忽然在他的前方闪过一个灰白色的身影,一跳一跳地突然不见了。妈呀!魂都给吓出来了,他毛骨悚然,掉头就跑,可是四肢发软,怎么跑也跑不动。只见一个张牙舞爪、青面獠牙、吐着长长舌头的白发女鬼忽然出现在他面前,吓死了!吓得他“妈呀!妈呀”地叫个不停,这个女鬼还在不停地抓他的脸和身体。这一惊不要紧,急的他直喊救命!喊着喊着突然醒了过来。此时,他的心还在怦怦地跳个不停。他这么一喊,把旁边的同伴吵醒了。同伴用手捅了捅他说:“嗨!醒醒吧!你咋了?”于是,他揉了揉雾蒙蒙的双眼说:“我的妈呀!真吓人呀!也不知怎么了,有一个女鬼在追我,还用爪子挠得我浑身是血。”“嗨!原来是这样啊,你是不是在做噩梦?你这么大的叫喊声,我能不醒吗?我还用手捅了捅你。”旁边的同伴说。两个人说着说着又继续睡了。

    大家都听说过在我国河南焦作封门村的灵异事件吧!这与上述的梦幻成因是一个道理。由自然环境所造成的人类梦中幻觉是很普遍的。磁辐射是一把双刃剑,既可造福于人类,也可对人类产生伤害。伦琴射线的人体透视、核磁共振的成像机理、红外线的疾病治疗、远距离卫星信息通讯、雷达、射电天文望远镜等等,无不显示了它的神通广大。强磁辐射会形成人体大脑的思维延伸,导致大脑的错觉联想判断。电磁和自然环境的影响可使人体对社会作出伤害性行为动作。还有高层建筑对人类造成的的恐怖心理,环境的严重污染以及社会诸多的弊端因素,都会对人类思想产生巨大的心理压力。有效的电磁波射线频率、波长可导致人类疾病的缓解,而那些不适合人体功能恢复和可导致脑神经系统病态升级的磁波辐射,人类应当尽量远离。

    最新应用/磁场 编辑

    可降低​人类血液黏度

    美国天普大学物理学家陶荣家(音译)指出,利用磁场可降低人类血液黏度。研究论文发表在近日出版的《物理评论E辑》上。目前,稀释血液的唯一方法是利用阿司匹林等药物,但这些药会带来副作用。曾发明过用电场或磁场降低发动机或管道中油脂黏度这一方法的天普大学教授陶荣家将这种方法推广到血液黏度的控制中,通过测试大量血液样本后发现,利用磁场也可稀释人类循环系统中的血液。

    红细胞含铁

    因为红细胞含铁,施加磁场能将红血细胞极化,使它们以短链、流线运动的形式连在一起,由于这些短链比单个的血细胞要大,它们向着中心流下来时,与血管壁的摩擦就会减少。这种连接效果降低了血液黏度,有助于它们更加顺畅地流动。给血液施加一个1.3特斯拉的磁场约1分钟,就能将血液黏稠度降低20%到30%,且这个强度只相当于核磁共振成像的磁场强度。当磁场被移开时,血液在血管中会慢慢恢复为原来的黏稠状态,但这要经过几个小时。

    不仅安全还可重复

    “通过选择合适的磁场强度和脉冲时间,我们就能控制红细胞聚集成链的大小,由此控制血液黏度。这种磁流变的方法提供了一个有效的途径,能在可选择的范围内控制血液黏度。”陶荣家解释说,这种方法不仅安全,还可重复,可以通过多次施加磁场的方式来降低血液黏度,而且黏度降低并不影响红细胞的正常功能。陶荣家还表示,该方法仍需要进一步研究,以此为基础能最终开发出一种预防心脏病发作的新疗法。[2]

    视频/磁场 编辑



    相关文献

    参考资料
    [1]^引用日期:2011-05-16
    [2]^引用日期:2012-02-05
    扩展阅读
    1磁场公式
    2磁场知识点
    3磁场知识点

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